大絲束碳纖維預(yù)浸料的研制

大絲束碳纖維預(yù)浸料的研制

大絲束碳纖維預(yù)浸料制備研究20世紀90年代中期以后，世界纖維發(fā)展的最大特點是大絲束（48kg以上）纖維得到了顯著提高。由于其降低成本高、源代碼簡單、性能好（相當于t300），因此采用大絲束纖維代替小絲束纖維生產(chǎn)的體育用品，如釣魚桿、高爾夫球場桿等。此外，大絲束纖維預(yù)浸劑的制造技術(shù)也取得了很大進展。當前，國內(nèi)大多數(shù)釣魚竿、高爾夫球桿等生產(chǎn)廠家一般仍使用12K碳纖維預(yù)浸料。國產(chǎn)大絲束碳纖維預(yù)浸料的研制起步較晚，目前還處于實驗室階段，尚未進入規(guī)?；a(chǎn)。北京航空材料研究院和浙江嘉興中寶碳纖維有限公司是國內(nèi)較早合作開發(fā)研制此種預(yù)浸料的單位，并已取得了階段性成果。首先根據(jù)大絲束碳纖維的自身特點，北京航空材料研究院有針對性地研制成功一種粘度適中，流動性好，特別適于浸漬大絲束碳纖維的中溫固化改性環(huán)氧樹脂體系BP2003；另外，對現(xiàn)有的熱熔預(yù)浸設(shè)備進行了局部改造，專門設(shè)計加工了大絲束碳纖維展開裝置，以保證大絲束碳纖維能夠充分均勻展開，達到所需的寬度。利用熱熔法制備大絲束碳纖維預(yù)浸料，首先要制造一定寬度的均勻平整的樹脂膠膜，然后用所制膠膜在一定溫度、壓力下與一定數(shù)量的大絲束碳纖維進行復(fù)合預(yù)浸，最終制備出符合要求的大絲束碳纖維預(yù)浸料。本文結(jié)合釣魚竿用60K碳纖維預(yù)浸料的研制過程，對影響大絲束碳纖維預(yù)浸料質(zhì)量的幾個主要因素進行討論。1實驗部分1.1改性環(huán)氧樹脂⑴增強材料。碳纖維,線密度為60K3.47g/m,無捻,德國產(chǎn)。⑵樹脂基體。BP2003中溫（125℃）固化改性環(huán)氧樹脂體系，黃白色粘稠體，北京航材院自制。⑶主要輔助材料。脫模紙，紙筒芯等。1.2承擔加標研制，即⑴熱熔預(yù)浸機（含膠膜機），幅寬1200mm，國產(chǎn)。⑵Instron萬能試驗機，美國進口。⑶電子天平，感量0.001g。⑷取樣板，尺寸（100mm×100mm）±0.1mm。1.3纖維質(zhì)量含量及彎曲強度、模量⑴預(yù)浸料外觀，目測。⑵預(yù)浸料樹脂含量或面密度中纖維質(zhì)量含量，按GB7192-1982進行。⑶彎曲強度、模量，按GB3357-1982進行。⑷層間剪切強度，按GB3356-1982進行。1.4．預(yù)浸料溶液的制備⑴膠膜的制備。將配制好的BP2003樹脂基體倒入熱熔膠膜機膠槽內(nèi)，調(diào)整工藝參數(shù)，將樹脂均勻地轉(zhuǎn)移到脫模紙上，使所⑵大絲束預(yù)浸料的制備。將足夠數(shù)量的紗筒置于設(shè)備紗架上，將纖維束從紗筒上引出后，按一定順序使纖維束先后經(jīng)過篦子、打散裝置、展平裝置、分絲裝置、預(yù)熱平臺，進入復(fù)合預(yù)浸區(qū)，選擇合適的溫度、壓力和纖維張力等參數(shù)，與上下膠膜進行復(fù)合浸漬，制得的預(yù)浸料最后卷取在紙筒芯上。2結(jié)果與討論在樹脂基體和纖維一定的情況下，2.1預(yù)浸溫度對纖維浸過性的影響隨著浸漬溫度升高，膠膜粘度降低，容易滲透到纖維中去，在一定壓力下，使預(yù)浸料中的樹脂分布均勻，從而保證預(yù)浸料表面的均勻性。用BP2003膠膜把60K由表1可見，在試驗范圍內(nèi)，纖維的浸透性主要依賴于預(yù)浸溫度，提高預(yù)浸溫度，有利于纖維浸透。但溫度過高，又因為樹脂流動性太大，會將兩端的纖維沖跑，從而造成預(yù)浸料中纖維質(zhì)量分布不均勻，因此，選擇一個既能保證浸透性又能保證纖維充分展開的預(yù)浸溫度是制備預(yù)浸料的關(guān)鍵。2.2預(yù)浸輥壓力對膠膜保水性的影響在其它參數(shù)不變的情況下，壓力對預(yù)浸料碳纖維浸透性的影響是顯而易見的（見表2）。由表2結(jié)果可見，在相同溫度下，隨著預(yù)浸輥壓力加大，膠膜所受的剪切力增大，樹脂更容易向纖維中滲透擴散，而使樹脂均勻分布，表面平整。但是壓力過大，容易壓傷纖維，同時由于擠壓壓力過大，促使樹脂向輥的兩端流失，使兩端纖維在流動樹脂推動下被沖散，造成樹脂含量偏低。2.3纖維張力不合理為了制備出沒有縫隙的符合要求的大絲束碳纖維預(yù)浸料，碳纖維從篦子引出后，首先要通過展平輥、分絲裝置等，使其充分展開至一定寬度。纖維張力太大，纖維束展開不完全，樹脂不能擴展到每根纖維絲中，使其完全浸潤，導(dǎo)致部分纖維未被樹脂完全浸透；纖維張力過小，雖然有利于樹脂擴展浸透，但會出現(xiàn)纖維變曲現(xiàn)象，嚴重影響預(yù)浸料的外觀和性能。因此，在制造預(yù)浸料的過程中，要及時調(diào)整纖維張力，張力大小的選擇原則是既保證大絲碳纖維展開、拉直，又能保證樹脂完全浸透纖維。2.4預(yù)浸溫度和壓力對纖維滲透性的影響膠膜運行速度與纖維浸透性的關(guān)系實際上即是纖維浸漬接觸時間和浸透性的關(guān)系。要使膠膜在一定溫度下充分熔融流動，需要足夠的時間，另外，隨著預(yù)浸料面密度中纖維質(zhì)量含量和大絲束纖維展開程度的不同，所需要的浸漬時由表3可見，在預(yù)浸溫度、壓力不變的情況下，運行速率小，纖維浸透性好；運行速率大，纖維浸透性差，因為速度快，樹脂與纖維接觸時間短，流動樹脂未能與纖維充分地接觸、浸漬，從而導(dǎo)致浸透性差，因此，纖維運行速率不宜太快，在保證浸透纖維的前提下，才能增加纖維運行速率，提高生產(chǎn)效率。3大絲束預(yù)浸料制備用所制的面密度為120±5g/m、樹脂含量為38±3%的60K大絲束碳纖維預(yù)浸料，通過模壓法制備厚度為2mm±0.2mm復(fù)合材料層壓板，固化溫度為120℃±5℃，固化時間為1.5h，層壓板的纖維體積含量為58%-62%。其主要力學(xué)性能典型值見表4。4漁身份證及其他魚并發(fā)癥用BP2003/60K大絲束碳纖維預(yù)浸料到漁具廠進行了漁竿制造工藝試驗，并試制了兩段魚竿。工藝試驗結(jié)果表明：所研制的60K碳纖維預(yù)浸料外觀平整、粘性適中，符合釣魚竿的搓管工藝要求。5大絲束碳纖維預(yù)浸料質(zhì)量單因素分析⑴利用進口的60K大絲束碳纖維和自行研制的B